超級工程一覽:DRAM芯片戰爭
——1970-2017輸贏千億美元的生死搏殺【1】
這張照片展示了一堆古董內存。從上到下是:采用三星顆粒的兩根32M 72針DRAM內存,韓國生產。中間是新加坡NCP的256M PC133 SDRAM內存。最下麵是采用英飛淩顆粒的64M PC133 SDRAM內存,葡萄牙生產。其中NCP是新加坡赫克鬆(Hexon)集團的內存品牌。赫克鬆成立於1989年,是德國英飛淩和日本爾必達的亞太區總代理,因此采購兩家的DRAM顆粒,到新加坡組裝成內存條,然後銷售到中國大陸,靠價格低廉取勝。不過時至今日,德國英飛淩(奇夢達)和日本爾必達,都已經破產倒閉。隻剩下了韓國三星獨霸江湖。
DRAM是動態隨機存儲器的意思,也就是電腦內存。對於今天的消費者來說,電腦內存隻是些綠色的小條條,售價不過幾百元。然而這些小玩意,卻走過了長達120年的複雜演進曆史。從百年前的穿孔紙卡、磁鼓、磁芯到半導體晶體管DRAM內存。人們已經很難想象,一個電冰箱大小的計算機存儲器,隻能存儲幾K數據,售價卻高達幾萬美元。在中國市場,1994年的時候,一根4M內存售價1400元,相當於兩個月工資。1999年台灣921大地震,在北京中關村,一根64M SDRAM內存條,價格可以在幾天內,從500元暴漲到1600元。
自1970年,美國英特爾的半導體晶體管DRAM內存上市以來,已經過去47年。DRAM內存芯片市場,累計創造了超過1萬億美元產值($1000,000,000,000美元)。企業間摻雜著你死我活的生死搏殺。美國、日本、德國、韓國、中國台灣的選手,懷揣巨額籌碼,高高興興地走進來,卻在輸光光之後黯然離場。無數名震世界的產業巨頭轟然倒地。就連開創DRAM產業的三大元老——英特爾、德州儀器和IBM,也分別在1986年、1998年和1999年,淒慘地退出了DRAM市場。目前,隻有韓國三星和海力士,占據絕對壟斷地位,在DRAM市場呼風喚雨,賺得盆滿缽滿。
從美國到韓國,這個巨大的轉變,背後隱藏著半個世紀以來,那些不為人知的經濟戰爭,足以載入經濟學教科書。把歐美和中國,那些冒牌經濟學家,極力鼓吹的“自由市場經濟”論調,徹底掃進垃圾堆。
——這是一場真正的經濟戰爭,國與國之間的生死較量,慘烈程度遠超液晶戰爭。
1949年,美國哈佛大學實驗室的王安博士,發明磁芯存儲器。這種古老的存儲器一直使用到1970年代。直至被英特爾批量生產的DRAM內存淘汰。
內存百年——一不怕死的都衝進來
在敘述這場經濟戰爭前,我們先從總體上,了解一下DRAM內存產業的脈絡和現狀。
電腦存儲器的發明者,幾乎都來自計算機巨頭——美國IBM公司。IBM的曆史最早可追溯到1890年代。美國統計學家霍列瑞斯(Hollerith Machin)研製了穿孔製表機,采用在卡紙上打孔的方式,記錄統計數據。1890年,美國進行第12次人口普查時,便大量采用這種機器。直到1930年代,IBM每年仍要銷售上千萬張穿孔紙卡。
1932年,IBM公司的奧地利裔工程師古斯塔夫·陶斯切克(Gustav Tauschek),發明了第一種被廣泛使用的計算機存儲器,稱為“磁鼓存儲器”。直到1950年代,磁鼓依然是大型計算機的主要存儲方式。1956年,IBM公司購買了中國人王安博士(上海人),擁有的“磁芯存儲器”專利。磁芯存儲一直使用至1970年代。1966年,IBM公司的研究人員,羅伯特·登納德博士,發明了半導體晶體管DRAM內存,並在1968年獲得專利。
然後,1970年美國英特爾,依靠批量生產DRAM大獲成功,逼死了磁芯存儲器。1976年日本廠商進攻DRAM市場後,差點將英特爾逼死。1985年美國發動經濟戰爭,扶植韓國廠商進攻DRAM產業,又將日本廠商逼死。1997年美國發動亞洲金融風暴,差點將韓國廠商逼死。美國控製韓國經濟後,韓國廠商又借著DRAM市場的暴利翻身崛起。此時不怕死的台灣人衝進DRAM市場,投入500億美元卻虧得血本無歸。2007年全球經濟危機,逼死了德國廠商,並將台灣DRAM廠商打翻在地,狠踩兩腳。2017年,不怕死的中國大陸廠商衝了進來,準備投資660億美元,進攻DRAM市場。
有人說,中國人瘋了。
我說沒瘋,因為中國——做為世界第一大電子產品製造國,居然90%以上的內存靠進口,剩下那部分,居然連國產的產量,都控製在韓國企業手裏。
2015年,韓國三星電子投資136億美元(15.6萬億韓元),在韓國京畿道平澤市,建設12寸晶圓DRAM廠(Fab18)。該項目占地2.89平方公裏,總產能預計將達到每月45萬片晶圓,其中3D NAND閃存芯片將占據一半以上。主要生產第四代64層堆疊3D NAND閃存芯片。2017年7月4日三星宣布該廠投產。
行業高度壟斷——韓國三星獨占鼇頭
我們來看看市場情況,就知道中國為什麽非要進攻DRAM市場了。半導體存儲器主要應用於台式電腦、筆記本電腦、手機、平板電腦、固態硬盤、閃存等領域,包括DRAM、NAND Flash和NOR Flash三大類。2015年全球半導體存儲器銷售總額達772億美元。在全球3352億美元的集成電路產業中,占據23%的份額,是極為重要的產業核心部件。
其中DRAM內存主要用於台式電腦、筆記本電腦,全球市場規模約420億美元,目前被韓國三星、海力士和美國鎂光三家壟斷,占據90%以上的份額。從1992年以來,韓國三星在DRAM市場已經連續25年蟬聯世界第一,占據絕對壟斷地位,市占率超過60%。似乎無人可以撼動它的地位。
NAND Flash閃存主要用於手機存儲、平板電腦、SSD固態硬盤、大容量閃存,全球市場規模約300億美元,壟斷形勢更加嚴重。韓國三星、海力士、美國鎂光、英特爾、閃迪、日本東芝六家廠商,壟斷了全球99%的產量。其中僅三星、海力士、東芝三家,就占了80%以上的份額。NOR Flash閃存屬於小眾產品,主要用於16M以下的小容量閃存,全球市場規模隻有30億美元,由美國鎂光、韓國三星、台灣旺宏、華邦、中國大陸的易兆創新等7家企業瓜分。
行業高度壟斷造成的結果,是前三大廠商可以輕易操縱產量和價格,用低價來擠垮競爭對手,或用漲價來謀取暴利。2016年由於全球內存芯片缺貨,三星電子營業收入達到809億美元,利潤高達270億美元。韓國海力士收入142億美元,美國鎂光收入128億美元。
而中國廠商深受其害。中國是世界最大的電子產品製造國。2016年,光是中國就是生產了3.314億台電腦,21億台手機(其中智能手機占15億台),1.78億台平板電腦。與之相對應,2016年,中國進口DRAM產品超過130億美元。中國需要的存儲器芯片9成以上需要進口。國內DRAM產能也掌握在韓國海力士等外資廠商手中。
2015年起,美國鎂光(Micron),在新加坡Woodlands投資40億美元,擴建Fab 10X晶圓廠,主要生產第二代32層堆疊3D NAND閃存。2017年建成後,月產能14萬片晶圓,采用16納米工藝。
有錢都買不到——那就自己造吧
在外資廠商故意操縱下,華為、中興、小米、聯想等中國手機、PC廠商,經常遇到DRAM缺貨情況。而在中國國內,僅有中芯國際具備少量DRAM產能,根本無法實現進口替代。更嚴重的事例還有:2016年3月,美國政府下令製裁中國中興通訊,禁止美國廠商給中興提供元器件。這種情況簡直讓人不寒而栗。2017年4月,華為手機爆出閃存門事件。事情的根源,實際就是華為手機用的NAND Flash內存嚴重缺貨。
怎麽辦呢?有錢可以買吧?2015年7月,中國紫光集團向全球第三大DRAM廠商,美國鎂光科技,提出230億美元的收購要約。結果被鎂光拒絕了,理由是擔心美國政府,會以信息安全方麵的考慮,阻撓這項交易。
那就自己造吧。於是從2016年起,中國掀起了一場DRAM產業投資風暴。紫光集團宣布投資240億美元,在武漢建設國家存儲器基地(武漢新芯二期12英寸晶圓DRAM廠),占地超過1平方公裏,2018年一期建成月產能20萬片,預計到2020年建成月產能30萬片,年產值超過100億美元。計劃2030年建成月產能100萬片。福建晉華集團與台灣聯華電子合作,一期投資370億元,在晉江建設12英寸晶圓DRAM廠,2018年建成月產能6萬片,年產值12億美元。規劃到2025年四期建成月產能24萬片。合肥長鑫投資494億(72億美元),2018年建成月產能12.5萬片。
2017年1月,紫光集團宣布投資300億美元(約2000億人民幣),在江蘇南京投資建設半導體存儲基地,一期投資100億美元,建成月產能10萬片,主要生產3D NAND FLASH(閃存)、DRAM存儲芯片。
上述四個項目總投資超過660億美元(4450億元人民幣)。確實有點瘋狂。
但是隻要認真研究過去半個世紀,世界DRAM產業的發展曆史,就會讓人看清一件事情
——拿錢砸死對手,少砸一點就會死!不相信的都死了!
2016年6月,美國IBM實驗室的研究人員Janusz Nowak,向記者展示新型的磁性儲藏器(STT-MRAM)12寸晶圓。磁性內存既有DRAM和SRAM的高性能,又有閃存的低功耗和低成本,被認為具有競爭下一代內存的潛力,但是還存在很多問題。
2017年6月,韓國三星電子宣布,開始在平澤工廠(Fab18),批量生產64層堆疊的256Gb第四代TLC V-NAND內存產品。三星目前V-NAND占整體NAND Flash產能的70%以上,擁有500多項專利。
1931年,美國IBM公司生產的KeyPunch 031型打孔卡數據記錄裝置。打孔卡(霍列瑞斯式卡)利用卡紙上打孔來記錄信息。1928年,IBM推出新版打孔卡,這種卡采用長方孔,共有80列。1932年IBM發明了磁鼓存儲。但是直到1950年代,打孔卡機銷量巨大,依然占據IBM公司淨利潤的30%。1952年IBM推出磁帶式數據存儲器,後來發展出磁盤式機械硬盤。1956年IBM購買王安的磁芯存儲器專利,1966年開發出晶體管DRAM內存技術。照片拍攝自IBM博物館。
1959年2月,美國德州儀器(TI)工程師傑克·基爾比(Jack Kilby),製成世界第一塊集成電路。在資本力量推動下,集成電路產業迅速改變了人們的生活方式,並形成了以萬億美元計算的龐大產業鏈體係。
1966年,美國IBM公司托馬斯·沃森研究中心的羅伯特·登納德(Robert H. Dennard)博士,發明DRAM原理。老頭在IBM公司工作了半個世紀,現在八十多歲了。2009年獲得IEEE榮譽勳章。這是電子電氣領域的最高榮譽。
1972年前後,英特爾公司為美國Prime電腦公司,生產的微型電腦主板上,焊接了128顆1K存儲容量的C1103 DRAM內存,組成128K容量的內存,以便運行類似DOS的操作係統。1GB=1048576KB,如今一根最普通的4G內存,容量等於這塊老古董的3.2萬倍。最大的單根內存容量達到128G,是這家夥的100萬倍。
東京國立博物館藏品,照片左邊是1976年日本NEC研製的TK-80係統,采用仿製英特爾8080的兼容處理器(型號μPD8080A),當年售價88500日元,賣了1.7萬台。中間是英特爾為日本廠商開發的MCS-4係統,采用4004處理器,右側是日本Busicom電子計算器。多數人不知道,美國英特爾最早開發CPU,是為了日本人。
1979年,美國蘋果公司生產的Apple II Plus電腦主板,采用莫斯泰克MK4116內存芯片。CPU是莫斯泰克6502,最大支持64K內存。整機售價1200美元。1978年,蘋果公司的Apple II賣了2萬台,使蘋果迅速成為年銷售額,突破3000萬美元的產業新貴。
1965年,仙童公司的戈登·摩爾博士,在《電子學》雜誌發表文章預言:當價格不變時,集成電路上可容納的晶體管數量,約每隔18個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。這個預言後來被稱為“摩爾定律”。半個世紀以來,世界集成電路的發展,基本符合摩爾定律的規則。隻是到了近幾年,隨著美國在5-10納米生產工藝上出現停滯,給中國帶來了技術追趕的機會。
1968年,仙童工程師福德利克·費金(Federico Faggin),設計出采用矽柵自對準工藝的Fairchild 3708(圖左,右側為采用金屬柵極的Fairchild 3705),是世界首款采用SGT(垂直環繞閘極晶體管)結構的商用MOS集成電路。SGT技術後來用於CCD、EPROM和Flash閃存等產品。1970年後,費金加入英特爾公司,參與設計4004、8008、8080 CPU處理器。1974年,費金離開英特爾,與人合夥創立了齊格洛(Zilog)公司,並推出了極為暢銷的Zilog Z80處理器。直至2017年,Z80處理器仍在生產,用於工業控製領域。
1972年,美國英特爾研製的Intellec 8微型電腦,采用8008處理器。這款電腦的操作係統,由加裏·基爾代爾(Gary Kildall)博士負責開發。加裏·基爾代爾,是電腦人機操作係統的真正發明人,1973年加裏·基爾代爾開發了CP/M操作係統(類似DOS操作界麵),成為70年代電腦行業標準,2000多家電腦公司使用這一操作係統。其後比爾·蓋茨的微軟公司,抄襲基爾代爾的模式,推出了微軟MS-DOS操作係統。1980年,IBM公司開始采用微軟的產品,幫助微軟一躍成為美國軟件巨頭。
1945年8月15日,日本東京皇宮外,東京電台正在廣播:昭和天皇裕仁,宣讀日本無條件投降詔書。很多日本老百姓跪在地上痛哭不止。這一天有600名日本軍官自殺,逃避戰敗投降命運。東京城區已經在美國軍隊,長達半年的轟炸中化為廢墟。共同社照片
1958年,日本北辰電氣(Hokushin Electric)為NEC NEAC-2201晶體管計算機,研製的MD-2A磁鼓存儲器,容量64K,每分鍾轉速可達到10000轉。北辰電氣後來被橫河電機並購,消失在曆史長河中。
1960年,日本通產省工業技術院電氣試驗所,研製成功日本第一塊晶體管集成電路。這是參與研製的骨幹成員,左起,傳田精一(研究員,東北大學工學博士)、垂井康夫(半導體部晶體管研究室主任)、井上ルミ子、鳴神長昭。
1970年代,日本鬆下電器京都府長岡工場,整齊排列的100台自動焊線機,隻需要10個人操作。該廠從1968年開始半導體生產。1970年代美國向馬來西亞、韓國、台灣轉移電子製造業,以降低人力成本。日本則采用大規模自動化生產的方式來降低成本。日本報紙震驚地寫道:半導體工廠的人都消失了。
1991年6月,日本駐美大使村田良平,與布什政府的美國貿易代表卡拉·安德森·希爾斯,在華盛頓簽署新的五年期《日美半導體協議》。美國希望在1992年底前,能夠在日本半導體市場占據20%的份額。這個協議讓美國企業喘口氣,韓國半導體產業則異軍突起。到1995年底,外國半導體在日本市場占有率超過了30%。希爾斯這個女人非常厲害,中國的很多對美貿易談判,都是以她為對手。
2004年,爾必達在廣島建成12英寸DRAM晶圓廠。建設一座8英寸晶圓廠需要投資10-15億美元,建設一座12英寸晶圓廠,暴增至20-30億美元。超高規模的投資,使得DRAM產業如同在刀鋒上舞蹈,稍有不慎即全軍覆滅。爾必達也在沉重的債務下,最終轟然倒地。
1999年8月,韓國三星在中國市場推出SGH--600C型GSM手機,經典的一款翻蓋手機,天線可以抽出。當年全套售價4500元,相當於普通工人6個月工資。當年中國下崗工人的生活費,一個月不過130元。
1998年5月15日,《人民日報》頭版頭條報道,國有企業下崗職工基本生活保障和再就業工作會議開幕。1998年至2000年,中國全國國有企業,共下崗職工2137萬人,超過澳大利亞全國人口。劉歡還唱了一首《從頭再來》,實在令人可悲可歎。幾十萬家國企破產,造就了多少百億級的億萬富豪,感興趣的可以去數數。
超級工程一覽:DRAM芯片戰爭
1974年,台灣省台北市航拍照片,可能是重慶北路與民族東路,由美國戰略司令部(STRATCOM)陸軍航空隊(USACC)George Lane拍攝。1972年中美發表《上海公報》,明確美軍要撤離台灣。1974年越南戰爭末期,駐台灣美軍還有三千餘人。美國尼克鬆政府為避免中美軍事對抗,從台灣台南基地,撤出部署的核武器,至1979年美軍完全撤離台灣。
1976年,美國佛羅裏達州,台灣工研院送到美國RCA接受3英寸晶圓廠培訓人員。左起王國肇(創惟科技董事長)、林緒德、楊丁元(華邦電子創辦人)、蔡明介(聯發科創辦人)、萬學耘、章青駒(世界先進董事長)、謝錦銘、謝開良、劉長誠。
1985年,台灣清華大學相思湖畔,左起清大校長毛高文、工研院董事長徐賢修、工研院院長方賢齊、剛剛返回台灣的張忠謀、潘文淵是工研院向美國RCA引進晶圓技術的主要策劃者、接著是清大工學院院長李家同、工研院副院長胡定華。
1988年3月22日,台灣日盛證券營業廳內的股市投資人。1986年到1990年,台灣經曆了一次前所未有的股市牛市。台股從1986年的1000點,飆升到1990年2月的12000點,創造了瘋狂的股市致富神話。然而在隨後的8個月裏,股指又從12000點狂瀉至2000多點,泡沫破滅,股市大崩盤,原來人人參與的金錢遊戲變成了無人幸免的噩夢。而台灣電子產業,依靠股市籌集資金,便形成了隻顧擴充產能賺快錢,卻不肯下功夫進行核心技術研發的惡性循環。缺乏核心技術,成為台灣DRAM產業垮掉的根源。
1970年4月24日,中國第一顆人造地球衛星“東方紅一號”從酒泉衛星發射中心成功發射。照片為酒泉衛星發射中心,地下13米深處的發射場控製室,牆上還寫著當年留下的主席標語——一定要在不遠的將來趕上和超過世界先進水平。
1975年,北京大學物理係半導體研究小組,由王陽元等人,設計出我國第一批三種類型的(矽柵NMOS、矽柵PMOS、鋁柵NMOS)1K DRAM動態隨機存儲器,它比美國英特爾公司研製的C1103要晚五年,但是比韓國、台灣要早四五年。那時韓國、台灣根本就沒有電子工業科研基礎。照片為北京大學校史陳列館展示的器件。
1990年,中國進口一台美國IBM 286電腦(IBMPS1),價格是3.5萬元人民幣。當時中國普通工人的月工資隻有300元左右。由於電子產品的暴利,引發廣東、浙江等沿海省份,大規模走私進口電子器件,徹底衝垮中國電子工業。
1971年,上海複旦大學自主研製的719計算機,由王世業、顧芝祥、陳誌剛等人參與研製。1975年複旦大學研製FD-753計算機。經過反複研究討論,結合那時美國IBM360/370、歐洲TSS、日本FACOM等計算機係統和我國DJS-260、北大150等計算機係統,最終確定753計算機係統的主要研製目標是:具有處理速度浮點運算200萬次以上的主機係統;實現分時計算機係統;多進程分層管理的微內核操作係統。
1979年上海元件五廠和上海無線電十四廠,聯合仿製(逆向工程)成功8080八位微處理器(編號5G8080)。8080為美國英特爾公司在1974年推出的第二款CPU處理器,集成6000隻晶體管,每秒運算29萬次。自1975年第一台個人電腦誕生以後,8080芯片幫助英特爾在幾年後占據了電腦芯片的霸主地位。德國西門子仿製出8080芯片是在1980年10月(Siemens SAB 8080A-C),比中國還晚一年。日本也仿製過8080芯片。